改革開放以來，隨著人們生活質(zhì)量的逐步提高，各種使用了含有揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)的裝飾品、裝修材料、日用化學(xué)品等陸續(xù)進(jìn)入到我們的生活中，使得室內(nèi)外的空氣質(zhì)量下降，嚴(yán)重危害著人們健康。隨著我國對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)VOCs 排放的控制要求將會(huì)越來越嚴(yán)格，研究相應(yīng)的VOCs 處理技術(shù)也將更加急迫。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的定義，揮發(fā)性有機(jī)化合物是指在25 ℃蒸汽壓大于133.32 Pa，沸點(diǎn)為50~260 ℃的各種有機(jī)化合物。VOCs 按化學(xué)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步分為烷烴類、芳烴類、酯類、醛類等，目前已鑒定出的有300 余種。目前，國內(nèi)外對(duì)有機(jī)廢氣回收處理的方法主要有冷凝法、吸收法、吸附法和膜分離技術(shù)等。其中，吸附法具有方法簡單、環(huán)保、效率較高等優(yōu)點(diǎn)，是常用的處理有機(jī)廢氣的方法。而隨著新型吸附材料——活性碳纖維的開發(fā)利用和改良，吸附法的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。活性碳纖維具有很大的比表面和豐富的微孔，孔徑分布窄，比顆?；钚蕴?GAC)有很更大的吸附容量和更快的吸附、脫附速率，適用于低濃度范圍的污染氣體吸附，且可再生，屬于環(huán)保型吸附材料。目前，活性碳纖維被應(yīng)用于處理各種的有機(jī)廢氣，其相應(yīng)的研究成果也有很多：本研究主要是以吸附法為主體，活性炭纖維布作為吸附材料，環(huán)己烷作為VOCs 的模擬物，通過正交實(shí)驗(yàn)探討風(fēng)速、環(huán)己烷流量、ACF 布數(shù)以及ACF 布孔等因素對(duì)ACF 布的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量的影響；同時(shí)比較ACF 布在無孔和有孔的情況下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需要的功率，為合理使用ACF 布處理VOCs 提供依據(jù)，為進(jìn)一步處理提供依據(jù)。
01
實(shí)驗(yàn)過程
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
吸附劑：活性炭纖維布，江蘇蘇通碳纖維有限公司。吸附質(zhì)：環(huán)己烷，天津市富宇精細(xì)化工有限公司，分析純。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)所使用的主要儀器見表1。
1.3 實(shí)驗(yàn)過程
1.3.1 活性炭纖維布的預(yù)處理
活性炭纖維布在使用前，要先裁剪成面積略大于48 cm×48.5cm 的塊狀布，若是實(shí)驗(yàn)中要求有孔的ACF 布，則在布上均勻地剪出9 個(gè)直徑約1 cm 的小洞(見圖1)。裁剪后，在烘箱中以100 ℃烘6 個(gè)小時(shí)左右。在烘完冷卻后，應(yīng)立即轉(zhuǎn)移至密封袋中，防止重新吸附空氣中。
1.3.2 吸附流程
活性炭纖維布吸附環(huán)己烷實(shí)驗(yàn)流程如圖2 所示。首先，開動(dòng)風(fēng)機(jī)，由調(diào)控裝置和測風(fēng)儀調(diào)控風(fēng)速至符合實(shí)驗(yàn)要求。然后把足量的環(huán)己烷倒入燒杯中，由流量型蠕動(dòng)泵定量抽送到數(shù)顯調(diào)節(jié)儀上進(jìn)行加熱(80 ℃)后噴出進(jìn)入風(fēng)道，經(jīng)風(fēng)機(jī)引動(dòng)以一定的流速進(jìn)入ACF 吸附室，此時(shí)，可在風(fēng)道前段的特定位置用VOC 儀測定環(huán)己烷的初始濃度。在 ACF 吸附室中由多孔鐵框負(fù)載ACF 布，用于吸收通入的環(huán)己烷，通過吸附室后的氣體在風(fēng)道后段的特定位置用VOC 儀進(jìn)行定時(shí)(3min)的環(huán)己烷濃度測定并記錄。
1.4 ACF 布吸附性能測定方法
1.4.1 ACF 布飽和吸附時(shí)間測定方法
(1)把實(shí)驗(yàn)要求的ACF 負(fù)載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。(2)按相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求調(diào)控好風(fēng)速和環(huán)己烷流量后，開動(dòng)流量型蠕動(dòng)泵，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。(3)計(jì)時(shí)開始后，在風(fēng)道的前段的特定位置，使用VOC 儀測定環(huán)己烷的初始濃度并記錄；在測定環(huán)己烷初始濃度以后，在開始計(jì)時(shí)后的第3 分鐘測定風(fēng)道后段的環(huán)己烷濃度，此后，每隔3分鐘測定1 次并記錄，直到環(huán)己烷濃度恒定在一個(gè)小范圍(±0.1)不變后，停下風(fēng)機(jī)和流量蠕動(dòng)泵。(4)將上面得到的環(huán)己烷初始濃度記為C0，每隔3 分鐘所測得的環(huán)己烷濃度記為Ct，按公式(1)處理，即可得到相應(yīng)時(shí)間的環(huán)己烷透過率Q：Q=Ct/C0 (1)處理完成后，做一個(gè)Q-t 的曲線關(guān)系圖，即可在圖上找到相應(yīng)的飽和吸附時(shí)間。
1.4.2 ACF 布飽和吸附量測定方法
(1)用電子天平測量進(jìn)行預(yù)處理后的ACF 布質(zhì)量，記為g1。
(2)用電子天平測量測量飽和吸附后的ACF 布質(zhì)量，記為g2。
(3)按公式(2)處理即可得到飽和吸附量q。
q=(g2-g1)/g1 (2)
1.5 風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率測定方法
(1)把實(shí)驗(yàn)要求的ACF 負(fù)載到鐵框上，放到吸附室的固定位置上。
(2)在調(diào)控裝置上調(diào)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行的交流電頻率，由測風(fēng)儀測定風(fēng)速是否符合實(shí)驗(yàn)要求，若不符合，則繼續(xù)調(diào)控交流電頻率至風(fēng)速合適為止。
(3)在調(diào)控好風(fēng)速后，可在調(diào)控裝置上讀出該交流電頻率下的電流I 和電壓U，由公式(3)即可算出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率P。
P=IU (3)
1.6 活性炭纖維吸附性能測定實(shí)驗(yàn)方案
本次實(shí)驗(yàn)中，選擇風(fēng)速(A)、ACF 布數(shù)(B)、ACF 布孔(C)以及環(huán)己烷流量(D)作為考察ACF 布吸附環(huán)己烷的吸附性能的4 個(gè)因素，每個(gè)因素選擇2 個(gè)水平，按L8(24)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，具體測定方案見表2 和表3。
02 結(jié)果與結(jié)論
2.1 ACF 布對(duì)環(huán)己烷的吸附性能測定結(jié)果與討論
2.1.1 ACF 布飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量測定結(jié)果
本次正交實(shí)驗(yàn)中，ACF 布吸附環(huán)己烷的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量測定結(jié)果見表4。
表中 SⅠ是因素水平為1 的飽和吸附時(shí)間加和，SⅡ是因素水平為2 的飽和吸附時(shí)間加和；SⅠ'是因素水平為1 的飽和吸附量加和，SⅡ'是因素水平為2 的飽和吸附量加和。從表 4 看出活性炭纖維是有吸附性能的，其吸附屬于物理性吸附，當(dāng)表面層的物質(zhì)粒子受到指向內(nèi)部的拉力，會(huì)產(chǎn)生不平衡力場，ACF 表面向周圍的介質(zhì)中捕獲其他的物質(zhì)粒子，使不平衡力場得到一定補(bǔ)償。揮發(fā)性有機(jī)化合物在活性炭纖維表面以多段微孔填充的方式迅速、穩(wěn)定地聚集于ACF 微孔內(nèi)?；钚蕴坷w維的優(yōu)異吸附性能，源于它的高比表面積。日本學(xué)者金子克美提出，由于孔壁勢場的疊加效應(yīng)，當(dāng)孔徑是吸附質(zhì)分子直徑的2 倍時(shí)，較容易發(fā)生吸附。對(duì)于活性炭等多孔材料，吸附主要發(fā)生在內(nèi)部的微孔部分，大孔和中孔主要起傳遞作用。相比之下(見圖3)，常規(guī)活性碳纖維是表面性單分散微孔材料，同樣比表面積，能夠產(chǎn)生吸附作用的面積更大，因而吸附、脫附速度更快、吸附量更大。
如圖 4 所示，在風(fēng)速為1.5m/s 和2.1m/s 時(shí)，SⅡ比SⅠ大，SⅡ’比SⅠ’小，即風(fēng)速增大，會(huì)延長ACF 布的飽和吸附時(shí)間，同時(shí)會(huì)降低ACF 布的飽和吸附量。雖然風(fēng)速越大，環(huán)己烷分子可以更快地接觸ACF 布而被吸附，加快吸附的過程；但同時(shí)，風(fēng)速的增大會(huì)使得環(huán)己烷分子更快地通過ACF 布而不容易被吸附，甚至有部分環(huán)己烷分子會(huì)因風(fēng)速增大而脫附，降低了ACF 布的吸附的效率，使飽和吸附量降低，同時(shí)延長ACF 布的吸附飽和時(shí)間，這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果相符合。
2.1.3 ACF 布數(shù)量對(duì)ACF 布吸附性能的影響
如圖 5 所示，在活性炭纖維布為1 塊和2 塊時(shí)，SⅡ?qū)τ赟Ⅰ的差值很大，即ACF 布數(shù)量對(duì)吸附飽和時(shí)間的影響很大；且SⅡ'大于SⅠ'，說明ACF 布數(shù)量的增加能提高ACF 布的單位吸附質(zhì)量。這主要是因?yàn)锳CF 布作為吸附材料在吸附過程中起主導(dǎo)作用。ACF 布的增加，即是吸附材料的增加，這能夠直接提高對(duì)環(huán)己烷的吸附量，延長飽和吸附時(shí)間；同時(shí)，環(huán)己烷能更加充分地與吸附材料接觸，提高吸附效率和飽和吸附量。不過，吸附效率和飽和吸附量的提高也會(huì)使得單位吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間縮短。綜合而言，ACF 布數(shù)量的增加能有效提高整體吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間和飽和吸附量，但會(huì)縮短單位吸附質(zhì)的飽和吸附時(shí)間。
2.1.4 ACF 布孔對(duì)ACF 布吸附性能的影響
如圖 6 所示，SⅡ比SⅠ大，SⅠ'比SⅡ'大，即ACF 布在有孔的情況下，飽和吸附時(shí)間會(huì)延長，飽和吸附量會(huì)減少。這主要是因?yàn)锳CF 布上孔的存在，會(huì)使得在孔附近的氣壓壓強(qiáng)增大，風(fēng)速有所增強(qiáng)，使得環(huán)己烷分子更容易從有孔的位置通過而不被吸收，降低吸附效率，延長飽和吸附的時(shí)間；同時(shí)，在ACF 布上有孔會(huì)直接減少吸附材料的面積和質(zhì)量，使得飽和吸附量減少。
2.1.5 環(huán)己烷流量對(duì) ACF 布吸性能的影響
如圖 7 所示，在環(huán)己烷流量為2 mL/min 和2.5 mL/min 時(shí)，SⅠ比SⅡ大，SⅡ'比SⅠ'大，即環(huán)己烷流量增大，會(huì)縮短飽和吸附時(shí)間，增大飽和吸附量。這是因?yàn)榄h(huán)己烷的流量增大，會(huì)直接增加在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到風(fēng)道中環(huán)己烷分子的量，ACF 布吸附的環(huán)己烷的量就會(huì)更多，空白吸附位的填充就會(huì)更快更多，使得ACF 布的飽和吸附時(shí)間縮短，飽和吸附量增大，這一點(diǎn)符合微孔填充理論。
2.2 ACF 布孔對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的影響
在風(fēng)速為 1.5 m/s 和2.1 m/s 的條件下，測定了ACF 無孔和有孔時(shí)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，測定結(jié)果見表5。
如表 5 所示，在風(fēng)速為1.5 m/s 和2.1 m/s，ACF 布有孔的情況下，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率能降低8 %~12 %，且效果隨ACF 布數(shù)量增加而更加明顯。這表明：使用帶孔的ACF 布作為吸附材料，雖然會(huì)延長飽和吸附時(shí)間和降低飽和吸附量，但影響并不是特別大，反而在長時(shí)間的吸附過程中，使用帶孔的ACF 布可以有效地降低風(fēng)機(jī)的能耗，這對(duì)于考慮工業(yè)上如何節(jié)能很有幫助。
03 結(jié)論
(1)風(fēng)量的增大能夠加快ACF 吸附環(huán)己烷，但會(huì)使相對(duì)飽和吸附量也會(huì)由此降低，飽和吸附時(shí)間加長。
(2)ACF 布數(shù)量的增加能明顯提高吸附飽和時(shí)間和相對(duì)飽和吸附量，但會(huì)縮短單位吸附質(zhì)的飽和時(shí)間。
(3)ACF 布孔的存在雖然不利于吸附性能，但能夠降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，減少風(fēng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行的能耗，在負(fù)載ACF 布越多的情況下效果越明顯。
(4)環(huán)己烷流量增大，飽和吸附時(shí)間變短，飽和吸附量增大。
文章轉(zhuǎn)載于：VOCs前沿